    
Раздел: Документация
0 ... 22 23 24 25 26 27 28 ... 78 7.5.6. Средства автоматизации проектирования и системы графического проектирования Основная причина использования графического подхода заключается в простоте человеческого восприятия (лучше раз увидеть, чем сто раз услышать). Человек способен сразу воспринять основную структуру изображения. Именно поэтому многие типичные конструкции, как, например, "процессорной матрицы", имеют естественное графическое описание. В частности, в системе проектирования HIFI многие структурные преобразования процессорных матриц имеют графическую основу [24]. Важно отметить, что в настоящее время терминальные графические устройства претерпевают быструю эволюцию, которая делает их более доступными и более удобными для пользователей; разработка графических стандартов, таких, например, как GKS1, позволила развивать программное обеспечение графики независимо от аппаратных средств. Язык графических команд, предназначенный в основном для структурных спецификаций, будет простым языком аппликативного типа, похожим на язык функционального программирования, предложенный Бэкусом. При этом становится весьма простым взаимно однозначное соответствие между графикой и текстурным кодом. Текстурный код является в основном средством формального описания рисунка. Другая важная роль языка проектирования, наряду с тем, что он является инструментальным средством и средством общения с разработчиком, состоит в обеспечении графического интерфейса HIFI систем. При использовании графического терминала проектировщик будет видеть объект проектирования, допустим, граф потока сигналов. Он сможет отделить от этого объекта часть, например вершину или ветвь, и применить те или иные операции к выделенным объектам. В результате получится новый объект с новым формальным описанием. В качестве расширения графического языка будут введены различные функции редактирования, которые позволят разработчику создавать различные версии или изменять текущую версию вычислительной структуры. База данных системы проектирования, содержащая всю информацию о проекте, включая его историю, явится исходной точкой для развития полного программного инструментария, включая упомянутые средства графического проектирования. В развитии графических средств наше внимание будет акцентироваться на взаимно однозначном соответствии потоковых графов и текстурных конструкций. Например, имя array будет появляться как в графической, так и текстурной конструкции. Для документирования этапов проекта [29], а также для установления связи HIFI-систем с другими технологическими системами будет полезно создание языка структурного описания графов потоков сигналов. Преобразование текстурных форм будет являться одной из функций, обеспечиваемых средствами HIFI-систем. 1 GKS - graphic kernal system - базовая графическая система, являющаяся стандартом двумерной машинной графики. - Прим. ред. 154 Краткие выводы. Иерархические системы автоматизации проектирования, в основе которых лежат графы потока сигналов, весьма удобны для проектирования СБИС-структур. Если рассматривать программное обеспечение, то предлагаемый подход подготовил почву для развития техники проектирования аппликативного типа. Эта техника (например, аппликативные системы с изменяемым состоянием и потоковые языки) будет оказывать большое влияние на программное обеспечение СБИС-структур. На этой основе может быть создано несколько целостных систем автоматизации проектирования средств программного и аппаратного обеспечения вместе с инструментальными средствами моделирования. Это позволит пользователю моделировать проектируемые системы на различных уровнях с помощью разнообразных графических автоматизированных рабочих мест (АРМ). 7.6. ЗАКЛЮЧЕНИЕ Появление СБИС вызвало резкий скачок в развитии техники обработки сигналов от обычной трансверсальной фильтрации к двумерной обработке. Мы проиллюстрировали развитие архитектуры СБИС-систем на основе алгоритмического анализа и с помощью введения понятия волновой обработки показали, как органично вписываются схемы вычислений с управлением данными во многие алгоритмы обработки сигналов. Для архитектурного проектирования особенно полезны вычисления с управлением данными, так как при этом отпадает необходимость в глобальной синхронизации, являющейся потенциальным барьером при проектирован™ систем сверхбольшой степени интеграции. Сравнение синхронных и асинхронных СБИС-систем [14, 15] показывает, что асинхронная обработка предпочтительна для крайне больших систем. Однако требуются дальнейшие исследования для определения предельных размеров процессорных матриц. Будущая технология реализации СБИС на единой полупроводниковой пластине потребует реконфигурации цепей соединений для обхода отказавших ПЭ. Это должно привести к большей неопределенности задержки, что делает гибкую волновую обработку привлекательнее чисто систолической. В известном смысле волновые матрицы совмещают в себе достоинства глобально синхронизируемых систолических матриц и асинхронной потоковой организации в универсальных ЭВМ. Методология нисходящего проектирования требует согласованной разработки алгоритмов, языка и архитектуры. В волновой матрице алгоритмический анализ определяет структуру языка, который, в свою очередь, определяет архитектуру вычислительной сети. Естественным, хотя и изысканным, этапом, может стать "кремниевая компиляция" структур языка MDFL [23], которая значительно усовершенствует систему автоматизации проектирования для СБИС-систем. В заключение отметим, что перспектива построения высокоскоростных (программируемых) параллельных процессоров сигналов на волновых СБИС-матрицах кажется многообещающей. 155 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ [1] С. Mead and L. Conway, Introduction to VLSI Systems, Addison-Wesley, Reading, Mass., 1980. [2] A. Oppenheim and R. Schafer, Digital Signal Processing, Prentice-Hall, Englewood Cliffs, N.J., 1975. [3] L. R. Rabiner and B. Gold, Theory and Application of Digital Signal Processing, Prentice-Hall, Englewood Cliffs, N.J, 1975. [4] T. Kailath, Linear Systems, Prentice-Hall, Englewood Cliffs, NJ., 1980. [5] H. T. Kung, "Lets Design Algorithms for VLSI Systems," Proc: Caltech Conf. VLSI, Jan. 1979, pp. 65-90. [6] H. T. Kung, "Why Systolic Architectures?" IEEE Computer, 15(1)37-46 (Jan. 1982). [7] S. Y. Kung, K. S. Arun, R. J. Gal-Ezer, and D. V. Bhaskar Rao, "Wavefront Array Processor: Language, Architecture, and Applications," IEEE Trans. Comput., Special Issue on Parrallel and Distributed Computers, C-3!(11):1054-1066 (Nov. 1982). [8] J. B. Dennis, "Data Flow Supercomputers," /ЕЯЕ Compute Nov. 1980, pp. 48 56. [9] K. P. Gostelow and R. E. Thomas, "Performance of a Simulated Data Flow Computer," /£££ Trans. Compute C-29(10):905-919 (Oct. 1980). [10] S. Y. Kung, "VLSI Array Processor for Signal Processing," Conf. Adv. Res. Integrated Circuits, MIT, Cambridge, Mass., Jan. 28-30,1980. [11] J. M. Speiser and H. J. Whitehouse, "Architectures for Real Time Matrix Operations," Proc. COM AC, Nov. 1980. [12] R. J. Gal-Ezer, "The Wavefront Array Processor and its Applications," Ph.D. dissertation, University of Southern California, Dec. 1982. [13] S. Y. Kung, and R. J. Gal-Ezer, "Eigenvalue, Singular Value and Least Square Solvers via the Wavefront Array Processor," In L. Snyder ct al, eds, Algorithmically Specialized Computer Organizations, Academic Press, New York, 1983. [14] S. Y. Kung and Y. H. Hu, "A Highly Concurrent Algorithm and Pipelined Architecture for Solving Toeplitz Systems," IEEE Trans. Acoust. Speech Signal Process., 31(1) (Feb. 1983). [15] Y. H. Hu, "New Algorithms and Parallel Architectures for Toeplitz System: With Applications to Spectrum Estimations," Ph.D. dissertation, University of Southern California, Dec. 1982. [16] S. Y. Kung and R. J. Gal-Ezer, "Hardware Architectures of the Wavefront Array Processor," Proc. Int. Comput. Symp., Taiwan, Dec. 1982. [17] M. Franklin and D. Wann, "Asynchronous and Clocked Control Structures for VLSI Based Interconnection Networks," Proc. 9th Annu. Symp. Comput. Architecture, Austin, Tex, Apr. 1982. [18] S. Y. Kung and R. J. Gal-Ezer, "Synchronous vs. Asynchronous Computation in VLSI Array Processors," Proc. SPIE Conf Arlington, Va, May 1982. [19] A. L. Fisher and H. T. Kung, "Synchronizing Large Systolic Arrays," Proc. SPIE Conf, Arlington, Va, May 198Z [20] N. L. Owsley, "High Resolution Spectrum Analysis by Dominant Mode Enhancement," in S. Y. Kung, T. Kailath, and H. J. Whitehouse, eds. Modern Signal Processing and VLSI Architectures, Prentice-Hall, Englewood Cliffs, NJ, 1983. 156 [21] s- Y- Kung, ed, "VLSI and Modern Signal Processing," Proc. USC Workshop on VLSI Mod. Signal Process., Los Angeles, Nov. 1-3, 1982. Г22] B. N. Parlett, The Symmetric Eigenvalue Problem, Series in Computational Mathematics, Cleve Moler (Adv.), Prentice-Hall, Englewood Cliffs, N.J, 1980. Г23] P. B. Denyer and D. Renshaw, "Case Studies in VLSI Signal Processing Using A.Silicon Compiler," Proc. IEEE ICASSP, Boston, 1983, pp. 939-942. [24] S. Y. Kung, J. Annevelink, and P. Dewilde, "Hierarchical Iterative Flow-graph Design for VLSI Array Processors." IEEE International Conference on Computer-Aided Design, Santa Clara, Calif, Nov. 1984. [25] J- Backus, "Can Programming Be Liberated from the Von Neumann Style? A Functional Style and Its Algebra of Programs." Communications of the ACM 21 (1978), 613-641. [26] A. B. Crerners, and T. N. Hibbard, "Problem-Oriented Specification of Concurrent Algorithms." Proceedings of U.S.C. Workshop on VLSI and Modern Signal Processing, Los Angeles, Calif, Nov. 1982, pp. 64-68. [27] S. Y. Kung, "On Supercomputing with Sytolic/Wavefront Array Processors." Invited paper. Proceedings of the IEEE Vol. 72, 7 (July 1984). [28] A. B. Crerners, and S. Y. Kung, "On Programming VLSI Concurrent Array Processors." Proc. IEEE Workshop on Languages for Automation, Chicago, 1983, pp. 205-210, also in INTEGRATIONS, the VLSI Journal, Vol. 2, No. 1, March, 1984. [29] W. Y-P. Lira, "HISDL-A Structure Description Language." Communications of ACM 25, 11 (Nov. 1982). [30] W. Y-P. Lim, and С. К. C. Leung, "Computer Hardware Description Language and their Applications." In, T. Uehara and M. Barbacci, Eds, North Holland Pub, 1983, pp. 233-242. 8 СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫЕ СБИС-АРХИТЕКТУРЫ. ОБЩЕЕ ОБСУЖДЕНИЕ И АНАЛИЗ ОПЫТА А. Фишер, С. Кунг1 8.1. ВВЕДЕНИЕ Занимающимся исследованием в области организации ЭВМ становится очевидным, что начинается новая эра в развитии техники цифровой обработки данных. Также становится очевидным, что мы возвращаемся назад, к концепции специализированного вычислительного устройства. В будущем появится ряд специализированных, но программируемых вычислительных устройств для военного и промышленного применения. В дальнейшем в связи с еще более широким распространением машинных расчетов использование специализированных устройств для выполнения таких операций, как, например, поиск файла, будет экономически более выгодным, чем использование для этих целей времени универсальных компьютеров [2]. 1 Университет Карнеги-Меллона, Питтсбург, шт. Пенсильвания, 157 Основным фактором при разработке любого инструментального средства является достижение компромисса между универсальностью применения и производительностью. Почти во всех случаях универсальное инструментальное средство является менее эффективным в конкретном случае, чем средство, разработанное специально для этого случая. На практике необходимый компромисс определяется экономическими факторами: высокая (для одной прикладной задачи) стоимость разработки специализированного устройства сопоставляется с низкой эффективностью универсального устройства. В области обработки сигналов предпочтение отдается специализированным устройствам из-за жестких требований, связанных с обработкой в реальном масштабе времени. Для осуществления такой обработки обычно требуется выполнение сотен миллионов операций умножения в секунду, а универсальные системы с такой производительностью стоят миллионы долларов каждая. К счастью, многие программы обработки сигналов могу) быть сконструированы из относительно небольшого множества примитивных операций. Такой подход, основанный на использовании специализированных строительных блоков, может оказаться золотой серединой в спектре универсальных и специализированных устройств. В равной мере важным фактором при специализированном подходе является применяемая технология. В этом отношении СБИС имеют особые достоинства: дешевизна транзисторов и возможности обеспечения многофункциональности при малом объеме могут резко уменьшить стоимость многих систем и эксплуатационные расходы по сравнению с обеспечиваемыми системами, реализованными на ИС средней и малой степени интеграции. Если же говорить о производительности, то технология СБИС способствует использованию массового однородного параллелизма, так как приращение стоимости при воспроизведении схем существующих процессорных элементов очень мало. Тем не менее на практике специализированный подход является более трудным, чем многие себе представляют. Специализированные вычислительные устройства предлагались с первых дней применения цифровых вычислений, как высказано в цитате в начале этого раздела, но только недавно появилась технология массового производства специализированных компьютеров. В этой главе рассматривается двухсторонний подход к проблемам разработки и применения таких устройств. Во-первых, обсуждаются в общем виде факторы, определяющие успех специализированного подхода в вычислениях. Во-вторых, иллюстрируется влияние этих факторов на примере развития особой архитектуры специализированного устройства - программируемого систолического кристалла (programmable systolic chip - BSC), разработанного в университете Карнеги-Меллона. 8.2. СЛАГАЕМЫЕ УСПЕХА Подход, основанный на использовании специализированной аппаратуры, может быть успешным только при выполнении определенных условий. Ука- некоторые из условий, которые, как мы полагаем, являются наиболее важными. Интерес к специализированным устройствам основывается на успехе в развитии технологии аппаратурных средств за последние 20 лет; без технологии средней и большой степени интеграции, по существу, не было бы никаких альтернатив универсальным вычислительным машинам. Именно новая технология открывает возможность аппаратной реализации многих больших систем. К тому же быстрое изменение природы технологии выдвигает трудную задачу отображения систем в аппаратуру. Хотя полупроводниковое производство, вообще говоря, стимулировалось потребностями в дешевых блоках памяти и процессорах для универсальных систем [47], развитая технология может с таким же успехом использоваться для создания специализированных систем. Таким образом, разработчики специализированных систем оказываются часто в довольно удачном положении, так как им приходится исследовать возможности использования некоторой существующей технологии, а не разрабатывать новую. Наличие соответствующей технологии является основой для выполнения специализированных систем, но для системных разработчиков важна и скорость выполнения по этой технологии. В общем случае период времени для выполнения специализированной системы и ее применения для получения значительных результатов должен быть коротким, иначе имеется риск, что система никогда не будет использована. Во-первых, ее компоненты могут устареть до того, как система станет действующей и, таким образом, ее преимущества перед универсальными системами потеряются. Во-вторых, требования к специализированной системе могут измениться в течение длительного этапа разработки. Быстрые строки внедрения весьма важны для специализированных систем. Поэтому неотъемлемыми на этапе разработки являются развитые в последние годы средства автоматизации проектирования. Кроме того, создание простых правил проектирования и методологии структурного проектирования [45] позволит относительно неопытным разработчикам быстро и уверенно проектировать свои собственные кристаллы СБИС. Большую помощь при оценке проекта могут оказать структурные подходы к тестированию и отладке [24]. При условии, что для быстрого и экономичного выполнения имеются технология и средства автоматизации проектирования, возникает вопрос: что же выполнять в виде аппаратуры для той или иной области применения? Область применения должна быть достаточно развитой в том смысле, что в ней должен быть накоплен достаточный опыт для выделения основных программ вычислений, специализированное исполнение которых значительно повысит общую производительность системы. Нужно быть убежденным в том, что нет других алгоритмов и программных решений, которые были бы практичнее подхода, связанного с применением специализированной аппаратуры. Нужно быть уверенным в том, что внутренние циклы могут быть легко отделены от циклов последующих вычислений так, что осуществление связи управляющей ЭВМ и будущего специализированного устройства не окажется узким местом. Кроме того, В1гутренние циклы должны быть типовыми в том смыс- 0 ... 22 23 24 25 26 27 28 ... 78 |
